生物仿生Ag2S二維肽納米平臺用于協同腫瘤NIR-II熒光成像和光熱療法
本文要點：光熱診斷和治療是一種新型的腫瘤診療方式，該技術能將吸收的光子轉化為成像信號和熱能，通過提高腫瘤部位的溫度并在特定時間內將其維持在有效的治療水平，實現破壞腫瘤細胞同時保存正常細胞的雙重效果。
眾所周知， NIR-II激光可以有效穿透組織，抑制生物樣品對光子的吸收和散射。因此具有熒光成像和PTT特性的納米平臺可以實現高分辨率光學成像和深穿透光療，有助于最大限度地損傷癌細胞，同時減少對周圍正常組織的損傷。
近年來報道了多種用于引導PTT的NIR- II熒光納米探針，在眾多納米平臺中，作為零維納米材料的量子點（QD），具有優(yōu)異的成像和光熱轉換（PTC）能力，為腫瘤的PTT治療提供了希望。但同時它們在臨床應用中仍面臨諸如生物相容性差、長期安全性的不確定性和有限的可降解性等重大障礙。
因此，人們探索納米材料的可能性，開發(fā)了具有更大的比表面積、更高的PTC效率和更多的活性位點的二維納米材料，使其成為生物成像引導的腫瘤PTT的有力候選者。然而，這些無機二維PTC材料同樣生物相容性較低、可降解性較弱且靶向特異性有限，增加了體內器官的細胞毒性和代謝負擔。為了解決這些問題，有必要開發(fā)具有高生物相容性的生物活性二維納米材料以用于腫瘤治療。
本文中，來自青島大學的魏剛教授團隊提出了一種二維（2D）納米平臺的分子設計和生物制造方法，為腫瘤的協同生物成像和光熱療法展現了廣闊的前景。如圖1所示，首先，通過肽自組裝設計并制備了生物相容性二維肽納米片（PNS）。這些多肽納米片可作為聚乙二醇修飾的 Ag2S 量子點（PEG-Ag2S QD）的支撐基質，形成具有獨特熒光和光熱特性的二維納米平臺（PNS/PEG-Ag2S QD）。所設計的二維納米平臺不僅改善了光熱效應，提高了光熱轉換效率（52.46%），而且在體外和體內對腫瘤都有顯著的殺傷力。此外，它在第二近紅外窗口（NIR-II, 1000-1700 nm）中顯示出卓越的成像效果，使其適用于協同熒光成像引導的腫瘤 PTT。這項研究不僅為設計和合成二維多肽組裝體提供了一種簡便的方法，還提出了新的生物仿生策略，以創(chuàng)建用于生物醫(yī)學應用的功能性二維有機/無機納米平臺。
圖1. 二維PNS/PEG-Ag2S QD的合成及其在腫瘤熒光成像和PTT中的應用示意圖
本工作中的PNSs通過肽自組裝（PSA）制備，而PSA過程是由各種非共價相互作用驅動的，如氫鍵、π-π堆疊、靜電力以及疏水和范德華力，這些相互作用通常受到pH、溫度、溶劑類型和離子強度等因素的影響。因此，作者使用Fmoc-FKKGSH肽探索了不同條件對自組裝結構的影響。最終確定：溶劑中0.1%TFA與乙醇的最佳比例為1:9，最佳反應時間約為6 h，此時肽分子的自組裝結構穩(wěn)定，呈現出β折疊構象，生長成尺寸均勻、形狀規(guī)則的圓形片狀結構。作者還認為在Fmoc-FKKGSH的等電點（pI=10.6）以上時，隨著pH逐漸升高，其結構中氨基的部分去質子化可促進更廣泛的橫向和垂直堆疊相互作用，從而形成更明顯的層狀肽結構。遺憾的是，文中并沒有展示pH影響肽自組裝的結果。
圖2. 肽的結構、構象和自組裝形態(tài)
得到PNS后，作者接著合成PEG-Ag2S QD。在室溫下將Na2S和AgNO3依次加入COOH-PEG-SH溶液中，然后將混合反應溶液在水浴中加熱2 h，即得到均勻的棕色懸浮PEG-Ag2S QD。值得注意的是，作者參考以往研究，將Ag與S的摩爾比調整為4:1，利用過量的Ag+修飾表面鈍化，防止深阱態(tài)引起的發(fā)射強度降低，這使PEG-Ag2S QD在NIR-II區(qū)表現出以1050 nm為中心的強發(fā)射峰。
圖3. PEG-Ag2S QD的表征（TEM圖像與光譜特征）
肽平面和量子點納米顆粒的成功制備又引入了新的問題：如何促進兩者高效地結合？作者利用EDC/NHS方法激活PEG-Ag2S QD表面豐富的-COOH基團，在其表面形成對伯胺和仲胺具有較高的反應活性的琥珀酰亞胺酯基，以此促進活化的PEG-Ag2S QD共價偶聯到富含-NH2基團的PNS表面。作者還進一步使用TEM、TTIR光譜全XPS光譜證實了PNS/PEG-Ag2S QD的成功合成。
圖4. PNS/PEG-Ag2S QD的合成與表征
該復合物在測試中展現出快速的光吸收和優(yōu)秀的PTC性能，證實了其作為PTT平臺的潛力。為了探索納米平臺光熱轉化的最佳條件，作者調整QD濃度、輻照功率密度和輻照時間，展示了納米平臺治療溫度在一定范圍內的可調節(jié)能力。在此，作者還發(fā)現：肽納米片除了提高生物相容性外，還提高了PTC效率（η=52.46%）。他們認為是二維平面的收斂增強了PEG-Ag2S QD的光吸收能力，在一定程度上阻止了光散射，從而提高了PTC的效率。
圖5. PNS/PEG-Ag2S QD的PTC性質
在將PNS/PEG-Ag2S QD應用于體內成像和光熱治療之前，作者首先評價了其體外的細胞毒性和PTT效果。結果顯示，復合物對MCF-7和MG-63細胞都表現出較低的細胞毒性，而在激光照射下則表現顯著的腫瘤殺傷能力，對MCF-7細胞致死率達93.27%。
圖6. PNS/PEG-Ag2S QD的細胞活力測試
圖7. PNS/PEG-Ag2S QD的體外PTT檢測
作者進而使用MCF-7荷瘤小鼠為模型測試PNS/PEG-Ag2S QD的體內PTT療效。與對照組相比，接受PTT治療組小鼠的腫瘤在14天內被完全根除，沒有復發(fā)。治療過程中，注射了PNS/PEG-Ag2S QD的小鼠體重沒有發(fā)生明顯變化；主要器官H&E染色也顯示沒有明顯的損傷。這說明了該平臺卓越的PTT體內腫瘤消融能力和良好的生物相容性。同時，PNS/PEG-Ag2S QD顯示出其作為NIR-II熒光顯像劑優(yōu)良而敏感的優(yōu)勢，能夠精準地靶向腫瘤并富集、提供明亮熒光信號，實現了腫瘤部位清晰的視覺診斷。
圖8. 體內PTT和熒光成像
圖9. 小鼠主要臟器H&E染色
參考文獻
Luan X, Hu H, Sun Z, He P, Zhu D, Xu Y, Liu B, Wei G. Assembling Ag2S quantum dots onto peptide nanosheet as a biomimetic two-dimensional nanoplatform for synergistic near infrared-II fluorescent imaging and photothermal therapy of tumor. J Colloid Interface Sci. 2024 Feb 21;663:111-122.
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